KR20230019058A - Method for producing high nickel lithiated metal oxide for battery - Google Patents

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Abstract

Provided is a method for preparing a high nickel lithiated metal oxide, which includes selecting one or more nickel precursors, at least one non-corrosive lithium salt, and a plurality of metal oxides or hydroxide precursors. A metal precursor and a lithium salt are mixed together to form a mixture containing Li_xNi_yM_zN_(1-y-z)O_(2-a)F_a(F-1) (where x=1.0 to 1.1, 0.80<=y<=0.90, 0.03<z<=0.15, 0<=a<=0.05, M is Co or Fe, and N is Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B or a mixture thereof, wherein N may be Fe when M is Co). The mixture is subjected to sintering (primary step) in the air at 750℃ or higher to form powder. The powder is subjected to a secondary sintering step in O_2 at 750℃ or lower to form the high nickel lithiated metal oxide.

Description

배터리용 고 니켈 리튬화 금속 산화물을 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING HIGH NICKEL LITHIATED METAL OXIDE FOR BATTERY}Method for producing high nickel lithiated metal oxide for battery {METHOD FOR PRODUCING HIGH NICKEL LITHIATED METAL OXIDE FOR BATTERY}

본 발명은 일반적으로 배터리(battery)와 같은 전기화학 셀(cell)에 사용하기 위한 캐소드 활물질(active material)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 고 니켈 또는 니켈 풍부 리튬화 금속 산화물을 생성하는 방법을 기재한다.The present invention generally relates to a method of making a cathode active material for use in an electrochemical cell such as a battery. More specifically, the present invention describes methods for producing high nickel or nickel rich lithiated metal oxides.

이 섹션의 설명은 단지 본 개시내용과 관련된 배경 정보를 제공하고 선행 기술을 구성하지 않을 수 있다.The descriptions in this section merely provide background information related to the present disclosure and may not constitute prior art.

리튬 이온 배터리를 제조하는 데 사용되는 기존 공정에서, 높은 니켈 캐소드 물질, 예컨대 LixNiyCozM(1―y-z)O2 (여기서 M은 알루미늄 (Al) 및/또는 망간 (Mn)이고, x ≥ 0.8, 및 y ≤ 0.15임)는 고온(예를 들어, ≥ 700℃)에서 산소(O2) 환경에서 수산화리튬(LiOH)을 리튬 공급원으로 사용하여 생성해야 한다. 일반적인 제조 공정에서, Ni(II) 황산염, Co(II) 황산염, Al(III) 황산염 및/또는 Mn(II) 황산염을 물에 용해 시킨 다음, 수산화나트륨과 수산화암모늄의 혼합물을 첨가하면 공침전시킨다. 그 다음 침전된 수산화물 물질을 세척하고 건조하고 LiOH*H2O와 블렌딩한다. 생성된 블렌드 또는 혼합물은 O2 환경에서 750℃에서 소결되어 리튬화 고 니켈 금속 산화물을 형성한다. In existing processes used to make lithium ion batteries, high nickel cathode materials such as Li x Ni y Co z M (1-yz) O 2 where M is aluminum (Al) and/or manganese (Mn); x ≥ 0.8, and y ≤ 0.15) must be created using lithium hydroxide (LiOH) as the lithium source in an oxygen (O 2 ) environment at high temperatures (eg, ≥ 700° C.). In a typical manufacturing process, Ni(II) sulfate, Co(II) sulfate, Al(III) sulfate and/or Mn(II) sulfate are dissolved in water and then coprecipitated by the addition of a mixture of sodium and ammonium hydroxide. . The precipitated hydroxide material is then washed, dried and blended with LiOH * H 2 O. The resulting blend or mixture is sintered at 750° C. in an O 2 environment to form a lithiated high nickel metal oxide.

이 공정에서, 리튬화 금속 산화물 내의 니켈기 고 산화 상태(예를 들어, Ni3+)에 있어야 하기 때문에 O2가 필요한 반면, 출발 Ni(II) 황산염 전구체는 산화 상태가 Ni2 +인 니켈을 포함한다. 고온에서 Ni2 +를 Ni3 +로 산화시키는 것은 매우 어려우므로 소결 공정 동안에 높은 O2 분압이 필요하다. 이것은 또한 Li2CO3과 같은 다른 리튬 전구체 대신 LiOH를 선택하여 사용하는 주요 이유 중 하나이다. Li2CO3을 사용하면, 소결 동안에 CO2를 방출하여 O2 분압을 낮추고 결과적으로 생성된 금속 산화물에서 Ni2 + 및 Li+ 이온의 상호혼합 함량이 증가한다. In this process, O 2 is required because the nickel groups in the lithiated metal oxide must be in a high oxidation state (eg, Ni 3+ ), whereas the starting Ni(II) sulphate precursor yields nickel whose oxidation state is Ni 2+ . include It is very difficult to oxidize Ni 2+ to Ni 3+ at high temperatures, so a high O 2 partial pressure is required during the sintering process. This is also one of the main reasons for choosing and using LiOH instead of other lithium precursors such as Li 2 CO 3 . When Li 2 CO 3 is used, CO 2 is released during sintering to lower the O 2 partial pressure and consequently, the intermixing content of Ni 2+ and Li + ions in the resulting metal oxide increases.

또한 LiOH는 낮은 융점(즉, 약 462℃) 때문에 일반적으로 사용된다. LiOH를 사용하는 공정은 상대적으로 낮은 온도(700 내지 800℃)에서 완전히 리튬화 금속 산화물을 형성할 수 있는데, 이는 용융된 LiOH가 리튬 염과 혼합 금속 산화물 입자 사이의 접촉 면적을 증가시켜 리튬화 반응을 촉진하기 때문이다. 비교하자면, Li2CO3의 융점은 723℃이고 탄산리튬을 리튬 염으로 사용하는 경우 소결 온도 >800℃가 필요하다. LiOH is also commonly used because of its low melting point (i.e., about 462°C). The process using LiOH can form fully lithiated metal oxides at relatively low temperatures (700 to 800 °C), since molten LiOH increases the contact area between the lithium salt and the mixed metal oxide particles, resulting in a lithiation reaction. because it promotes By comparison, the melting point of Li 2 CO 3 is 723 °C and a sintering temperature >800 °C is required when lithium carbonate is used as the lithium salt.

또한, 고 니켈 리튬화 금속 산화물은 열적 안정성이 좋지 않기 때문에 공정의 소결 온도를 높은 수준으로 유지할 수 없다. 더 구체적으로, 고 니켈 리튬화 금속 산화물은 고온에서 분해되어 Li(1-x)Ni(1+x)O2를 형성하고 O2를 방출한다. 따라서, 고 니켈 리튬 금속 산화물 캐소드 물질의 상업적 생산에 사용하기 위해 LiOH는 일반적으로 더 낮은 소결 온도 및 소결 동안 CO2가 생성되지 않기 때문에 Li2CO3보다 선택된다.In addition, high nickel lithiated metal oxides have poor thermal stability, so the sintering temperature of the process cannot be maintained at a high level. More specifically, high nickel lithiated metal oxides decompose at high temperatures to form Li (1-x) Ni (1+x) O 2 and release O 2 . Thus, for use in commercial production of high nickel lithium metal oxide cathode materials, LiOH is generally chosen over Li 2 CO 3 because of its lower sintering temperature and no CO 2 production during sintering.

불행하게도, 생산 공정에서 일반적으로 사용되는 소결 온도에서, LiOH는 노(furnace) 및 도가니의 금속 성분에 대해 부식성이 높다. 생산 동안 직면하는 생성된 부식 속도는 일반적으로 생산 비용의 상당하고 바람직하지 않은 증가를 초래한다. 효율성을 높이고 생산 비용을 낮추려면, LiOH를 비-부식성 염으로 대체하는 것이 바람직하다.Unfortunately, at the sintering temperatures commonly used in production processes, LiOH is highly corrosive to furnace and crucible metal components. The resulting corrosion rates encountered during production generally result in significant and undesirable increases in production costs. To increase efficiency and lower production costs, it is desirable to replace LiOH with a non-corrosive salt.

본 개시내용은 일반적으로 배터리와 같은 전기화학 셀에 사용하기 위한 캐소드 활물질을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 고 니켈 또는 니켈 풍부 리튬화 금속 산화물을 생성하는 방법을 기재한다.The present disclosure generally relates to methods of making cathode active materials for use in electrochemical cells such as batteries. More specifically, the present invention describes methods for producing high nickel or nickel rich lithiated metal oxides.

고 니켈 리튬화 금속 산화물을 제조하는 방법은 일반적으로 다음을 포함한다:Methods for producing high nickel lithiated metal oxides generally include:

a. 하나 이상의 니켈 전구체를 선택하는 단계;a. selecting one or more nickel precursors;

b. 적어도 하나의 비-부식성 리튬 염을 제공하는 단계;b. providing at least one non-corrosive lithium salt;

c. 복수의 금속 산화물 또는 수산화물 전구체를 전달하는 단계;c. delivering a plurality of metal oxide or hydroxide precursors;

d. 하나 이상의 니켈 전구체, 하나 이상의 비-부식성 리튬 염, 및 복수의 금속 산화물/수산화물 전구체를 함께 혼합하여 하기를 포함하는 혼합물을 형성하는 단계: d. mixing together one or more nickel precursors, one or more non-corrosive lithium salts, and a plurality of metal oxide/hydroxide precursors to form a mixture comprising:

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, 및 0 ≤ ≤ 0.05, M은 Co 또는 Fe이고; 그리고 N은 Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, 또는 이들의 혼합물이고, 단, M이 Co일 때 N은 Fe일 수 있음;where x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, and 0 ≤ ≤ 0.05, M is Co or Fe; and N is Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, or mixtures thereof, provided that when M is Co, N may be Fe;

e. 1차 소결 단계에서 혼합물을 공기 환경에서 750℃ 이상의 온도에서 소결하여 분말을 형성하는 단계;e. Forming a powder by sintering the mixture at a temperature of 750 ° C. or higher in an air environment in the first sintering step;

f. 2차 소결 단계에서 분말을 750℃ 이하의 온도에서 O2 환경에서 소결하여 고 니켈 리튬화 금속 산화물을 형성하는 단계.f. In the secondary sintering step, the powder is sintered in an O 2 environment at a temperature of 750° C. or less to form a high nickel lithiated metal oxide.

본 개시내용의 또 다른 양태에 따르면, 배터리에 사용하기 위한 캐소드 활물질은 식 (F-1)에 따라 조성이 기재된 상기 기재되고 본원에 추가로 정의된 공정에 따라 형성된 물질을 포함한다.According to another aspect of the present disclosure, a cathode active material for use in a battery includes a material formed according to the process described above and further defined herein having a composition according to Formula (F-1).

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 식 (F-1)에 따른 조성을 갖는 캐소드 활물질을 포함하는 리튬 이온 또는 리튬 전지가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a lithium ion or lithium battery comprising a cathode active material having a composition according to Formula (F-1).

적용 가능성의 추가 영역은 본원에 제공된 설명에서 명백해질 것이다. 설명 및 특정 예는 단지 예시를 위한 것이며 본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.Additional areas of applicability will become apparent from the description provided herein. It should be understood that the descriptions and specific examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

본 개시내용이 잘 이해될 수 있도록, 첨부 도면을 참조하여 예시로서 제공되는 다양한 형태가 이제 설명될 것이다. 각각의 도면의 구성요소는 반드시 일정한 비율로 그려지지 않을 수 있지만, 오히려 본 발명의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다.
도 1은 본 개시내용의 교시에 따라, 고 니켈 또는 니켈 풍부 리튬화 금속 산화물을 생성하기 위한 2-단계 소결 공정을 예시하는 흐름도이다.
도 2a 및 2b는 본 개시내용의 교시에 따라 제조되고 상이한 조건하에 소결된 NCA80(도 2a) 및 NCA90(도 2b)에 대해 측정된 x-선 회절(XRD) 패턴을 보여준다.
도 3은 산소(O2) 환경에서 2차 소결 단계(750℃)에 노출되거나 노출되지 않은 공기 환경에서 1차 소결 단계(800℃)를 사용하여 소결된 NCA80에 대해 측정된 추가 x-선 회절(XRD) 패턴을 보여준다.
도 4는 산소(O2) 환경에서 2차 소결 단계(750℃)에 노출되거나 노출되지 않은 공기 환경에서 1차 소결 단계(800℃)를 사용하여 소결된 NCMA90에 대한 다른 X선 회절(XRD) 패턴을 보여준다.
본 명세서에 기재된 도면은 단지 설명하기 위한 것이며 어떤 식으로든 본 개시내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 설명 및 도면 전체에 걸쳐, 대응하는 참조 번호는 유사하거나 대응하는 부분 및 특징을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
In order that the present disclosure may be better understood, various forms provided by way of example will now be described with reference to the accompanying drawings. The elements of each drawing may not necessarily be drawn to scale, but rather focus on illustrating the principles of the present invention.
1 is a flow diagram illustrating a two-step sintering process for producing a high nickel or nickel rich lithiated metal oxide, in accordance with the teachings of the present disclosure.
2A and 2B show x-ray diffraction (XRD) patterns measured for NCA80 (FIG. 2A) and NCA90 (FIG. 2B) prepared according to the teachings of the present disclosure and sintered under different conditions.
FIG. 3 shows additional x-ray diffraction measurements for NCA80 sintered using a first sintering step (800° C.) in an air environment with or without a second sintering step (750° C.) in an oxygen (O 2 ) environment. (XRD) shows the pattern.
Figure 4 is another X-ray diffraction (XRD) analysis of NCMA90 sintered using a first sintering step (800 °C) in an air environment with or without exposure to a second sintering step (750 °C) in an oxygen (O 2 ) environment. show the pattern.
The drawings described herein are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present disclosure in any way. Throughout the description and drawings, corresponding reference numbers are to be understood as indicating like or corresponding parts and features.

다음 설명은 본질적으로 단지 예시일 뿐이며 본 개시내용 또는 그의 적용 또는 용도를 제한하려는 의도가 결코 아니다. 예를 들어, 본원에 포함된 교시에 따라 제조되고 사용되는 고 니켈 또는 니켈 풍부 리튬화 금속 산화물은 구조적 요소 및 용도를 보다 완전하게 실증하기 위해 배터리와 함께 사용되는 캐소드 활물질로서 본 개시내용 전체에 걸쳐 기재된다. 다른 전기화학 셀에서 전극의 적어도 일부로서 제한 없이 포함하는 것을 포함하는 기타 적용에서 이러한 고 니켈 리튬화 금속 산화물의 통합 및 사용은 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. The following description is merely illustrative in nature and is in no way intended to limit the disclosure or its application or uses. For example, high nickel or nickel rich lithiated metal oxides prepared and used according to the teachings contained herein will be used throughout this disclosure as cathode active materials used with batteries to more fully demonstrate their structural elements and uses. are listed The incorporation and use of such high nickel lithiated metal oxides in other applications, including without limitation as at least part of an electrode in another electrochemical cell, is considered within the scope of this disclosure.

본 개시의 목적을 위해, 용어 "약" 및 "실질적으로"는 당업자에게 공지된 예상 변동(예를 들어, 측정의 한계 및 변동)으로 인한 측정 가능한 값 및 범위와 관련하여 본 명세서에서 사용된다.For purposes of this disclosure, the terms “about” and “substantially” are used herein with reference to measurable values and ranges due to expected variations known to those skilled in the art (eg, limits and variations of measurements).

본 개시내용의 목적을 위해, 용어 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 요소는 상호교환가능하게 사용되며 동일한 의미를 가질 수 있다. 단일 요소 또는 복수의 요소의 포함을 나타내는 이러한 용어는 또한 요소의 끝에 접미사 "(들)"로 표시될 수 있다. 예를 들어, "적어도 하나의 금속", "하나 이상의 금속" 및 "금속(들)"은 상호교환적으로 사용될 수 있으며 동일한 의미를 갖는 것으로 의도된다.For purposes of this disclosure, the terms “at least one” and “one or more” elements are used interchangeably and may have the same meaning. These terms indicating the inclusion of a single element or multiple elements may also be indicated by the suffix "(s)" at the end of the element. For example, "at least one metal", "one or more metals" and "metal(s)" may be used interchangeably and are intended to have the same meaning.

본 개시내용은 일반적으로 하나 이상의 비-부식성 리튬 염을 사용하여 캐소드 활물질로서 사용하기 위한 고 니켈 또는 니켈-풍부 리튬 금속 산화물을 생성하기 위한 2-단계 공정을 제공한다. 도 1을 참조하면, 이 공정 1은 하나 이상의 니켈 전구체를 선택하는 단계, 적어도 하나의 비-부식성 리튬 염을 제공하는 단계, 및 복수의 금속 산화물/수산화물 전구체를 전달하는 단계를 포함하고, 이로써 금속 산화물/수산화물 중 적어도 하나 전구체는 코발트 (Co), 철 (Fe) 또는 이들의 조합을 포함하고 적어도 또 다른 금속 전구체는 알루미늄 (Al), 망간 (Mn), 칼슘 (Ca), 마그네슘 (Mg), 티타늄 (Ti), 크로뮴 (Cr), 니오븀 (Nb), 몰리브데늄 (Mo), 텅스텐 (W), 붕소 (B), 또는 이들의 조합을 포함한다. The present disclosure generally provides a two-step process for producing high nickel or nickel-rich lithium metal oxide for use as a cathode active material using one or more non-corrosive lithium salts. Referring to FIG. 1 , this process 1 includes selecting one or more nickel precursors, providing at least one non-corrosive lithium salt, and delivering a plurality of metal oxide/hydroxide precursors, whereby the metal At least one oxide/hydroxide precursor comprises cobalt (Co), iron (Fe) or a combination thereof and at least another metal precursor comprises aluminum (Al), manganese (Mn), calcium (Ca), magnesium (Mg), titanium (Ti), chromium (Cr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), boron (B), or combinations thereof.

하나 이상의 니켈 전구체, 하나 이상의 비-부식성 리튬 염, 및 복수의 금속 산화물/수산화물 전구체는 함께 혼합되어 다음의 식 (F-1)을 포함하거나, 그로 구성되거나 본질적으로 구성된 혼합물을 형성한다:One or more nickel precursors, one or more non-corrosive lithium salts, and a plurality of metal oxide/hydroxide precursors are mixed together to form a mixture comprising, consisting of, or consisting essentially of formula (F-1):

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서 x는 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, 및 0 ≤ ≤ 0.05의 범위이고; M은 Co 또는 Fe이고; 그리고 N은 Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, 또는 이들의 조합이고, 단, N은 M이 Co일 때 Fe일 수 있다. 대안적으로, 식 (F-1)에서, 0.80 ≤ y ≤ 0.87; 대안적으로, 0.80 ≤ y ≤ 0.85. 불소(F)는 의도적으로 존재하거나 불순물로 포함될 수 있다. 대안적으로, F는 부재할 수 있고, 즉, a = 0이고, 식 (F-1)은 LixNiyMzN(1-y-z)O2로 표시될 수 있다. 식 (F-1) 내의 N은 대안적으로 Al, Mn, Fe, Mo, 또는 이들의 조합일 수 있다. Al 및 Mn이 조합으로 존재할 때, Al:Mn의 몰비는 0.99/0.01 내지 0.01/0.99의 범위; 대안적으로, 0.2/0.8 내지 0.8/0.2의 범위; 및 대안적으로, 0.3/0.7 내지 0.7/0.3의 범위일 수 있다. Al, Mn, 및 Mo 또는 Fe 중 하나가 조합으로 존재하는 경우, Al 대 Mn 대 Fe 또는 Mo [Al:Mn:(Fe-Mo)]의 비율은 0.99/0.05/0.05 또는 0.05/0.99/0.05 또는 0.05/0.05/0.99의 범위일 수 있다. 대안적으로, Al:Mn:(Fe 또는 Mo)의 비율은 0.1/0.8/0.1 또는 0.8/0.1/0.1 또는 0.1/0.1/0.8의 범위, 및 대안적으로, 0.15/0.7/0.15 또는 0.7/0.15/0.15 또는 0.15/0.15/0.7의 범위이다.where x is in the range of 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, and 0 ≤ ≤ 0.05; M is Co or Fe; and N is Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, or combinations thereof, provided that N may be Fe when M is Co. Alternatively, in formula (F-1), 0.80 ≤ y ≤ 0.87; Alternatively, 0.80 ≤ y ≤ 0.85. Fluorine (F) may be intentionally present or included as an impurity. Alternatively, F may be absent, ie a = 0, and formula (F-1) may be expressed as Li x Ni y M z N (1-yz) O 2 . N in Formula (F-1) may alternatively be Al, Mn, Fe, Mo, or combinations thereof. When Al and Mn are present in combination, the molar ratio of Al:Mn ranges from 0.99/0.01 to 0.01/0.99; alternatively, in the range of 0.2/0.8 to 0.8/0.2; and alternatively, from 0.3/0.7 to 0.7/0.3. When Al, Mn, and one of Mo or Fe is present in combination, the ratio of Al to Mn to Fe or Mo [Al:Mn:(Fe-Mo)] is 0.99/0.05/0.05 or 0.05/0.99/0.05 or It can range from 0.05/0.05/0.99. Alternatively, the ratio of Al:Mn:(Fe or Mo) is in the range of 0.1/0.8/0.1 or 0.8/0.1/0.1 or 0.1/0.1/0.8, and alternatively 0.15/0.7/0.15 or 0.7/0.15 It is in the range of /0.15 or 0.15/0.15/0.7.

비-부식성 리튬 염은 아세트산리튬, 질산리튬, 옥살산리튬, 탄산리튬 또는 이들의 혼합물로 선택될 수 있다. 대안적으로, 비-부식성 염은 탄산리튬(Li2CO3)이다.The non-corrosive lithium salt may be selected from lithium acetate, lithium nitrate, lithium oxalate, lithium carbonate or mixtures thereof. Alternatively, the non-corrosive salt is lithium carbonate (Li 2 CO 3 ).

코발트 또는 철 전구체(M)는 제한 없이 Co3O4, CoO, Co(OH)2, CoOOH, 탄산코발트, 아세트산코발트, 옥살산코발트, 질산코발트, Fe3O4, Fe2O3, FeO, FeOOH, Fe(OH)3, Fe(OH)2, 탄산철, 아세트산철, 옥살산철, 질산철 또는 유사한 물질을 포함할 수 있다. 대안적으로, 코발트 또는 철 전구체는 Co3O4, CoO, Fe3O4, or Fe2O3를 포함할 수 있다. 대안적으로, 코발트 전구체는 Co3O4이다. 철 전구체는 M이 Co일 때 N에 대해서도 사용될 수 있다. The cobalt or iron precursor (M) is, without limitation, Co 3 O 4 , CoO, Co(OH) 2 , CoOOH, cobalt carbonate, cobalt acetate, cobalt oxalate, cobalt nitrate, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 , FeO, FeOOH , Fe(OH) 3 , Fe(OH) 2 , iron carbonate, iron acetate, iron oxalate, iron nitrate or similar materials. Alternatively, the cobalt or iron precursor may include Co 3 O 4 , CoO, Fe 3 O 4 , or Fe 2 O 3 . Alternatively, the cobalt precursor is Co 3 O 4 . Iron precursors can also be used for N when M is Co.

사용될 수 있는 다른 금속 산화물 또는 금속 수산화물 전구체(N)는 예를 들어 Al2O3, Al(OH)3, 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 카보네이트, 알루미늄 옥살레이트, 알루미늄 에톡사이드, 알루미늄 프로필 옥사이드, 알루미늄 부틸 옥사이드, B2O3, B2O5, H3BO3, 붕소 아세테이트, 및 보레이트를 포함한다. 금속 산화물 또는 금속 수산화물 전구체는 금속 산화물, 금속 수산화물, 또는 금속 산화물 또는 금속 수산화물로 분해되는 금속성 화합물일 수 있다. 대안적으로, 금속 산화물 또는 금속 수산화물 전구체(N)는 Al(OH)3 , 및/또는 H3BO3를 포함한다. Other metal oxides or metal hydroxide precursors (N) that can be used include, for example, Al 2 O 3 , Al(OH) 3 , aluminum acetate, aluminum carbonate, aluminum oxalate, aluminum ethoxide, aluminum propyl oxide, aluminum butyl oxide, B 2 O 3 , B 2 O 5 , H 3 BO 3 , boron acetate, and borates. The metal oxide or metal hydroxide precursor can be a metal oxide, a metal hydroxide, or a metallic compound that decomposes into a metal oxide or metal hydroxide. Alternatively, the metal oxide or metal hydroxide precursor (N) includes Al(OH) 3 , and/or H 3 BO 3 .

니켈 전구체는 산화니켈, 수산화니켈, 옥시수산화니켈, 아세트산니켈, 탄산니켈, 옥살산니켈을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 바람직한 경우, 산화니켈은 3 내지 6시간; 대안적으로, 약 4 내지 5 시간 범위의 시간 동안 고온에서 Ni(NO3)2 *6H2O를 분해하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 니켈 전구체는 산화니켈이다.Nickel precursors may include, but are not limited to, nickel oxide, nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide, nickel acetate, nickel carbonate, and nickel oxalate. If preferred, nickel oxide is applied in 3 to 6 hours; Alternatively, it may be formed by decomposing Ni(NO 3 ) 2 * 6H 2 O at high temperature for a time ranging from about 4 to 5 hours. Alternatively, the nickel precursor is nickel oxide.

니켈 전구체, 비-부식성 리튬 염, 및 금속 산화물/수산화물 전구체는, 예를 들어, 볼 밀, 아트리터 밀, 제트 밀, 플라쉐어(plowshare) 혼합기, 또는 유사 장비를 제한없이 포함하는 회분식 또는 연속식 혼합 시스템을 사용하여 혼합될 수 있다. 대안적으로, 물질은 볼 밀을 사용하여 액체 매질(예를 들어, 물)과 약 4/6의 고체/액체 비율로 1 내지 20 mm 비드(산화물/비드 질량비 1/3)로 1 내지 24시간; 대안적으로, 약 5 시간의 기간 동안 동안 혼합된다. 대안적으로, 물질은 1 내지 24시간 동안 1/1 내지 1/20 범위의 산화물/비드 비율 및 1mm 내지 20 mm 범위의 비드 크기로 액체 매질이 없는 볼 밀을 사용하여 혼합된다. 또는 물질을 1 내지 24시간의 기간 동안 임의의 비드 없이 함께 블렌딩하여 혼합한다. Nickel precursors, non-corrosive lithium salts, and metal oxide/hydroxide precursors may be prepared in a batch or continuous manner, including, but not limited to, for example, a ball mill, an atliter mill, a jet mill, a plowshare mixer, or similar equipment. They can be mixed using a mixing system. Alternatively, the material is milled into 1 to 20 mm beads (oxide/bead mass ratio 1/3) in a solid/liquid ratio of about 4/6 with a liquid medium (e.g., water) using a ball mill for 1 to 24 hours. ; Alternatively, it is mixed for a period of about 5 hours. Alternatively, the material is mixed using a ball mill without liquid medium at an oxide/bead ratio ranging from 1/1 to 1/20 and a bead size ranging from 1 mm to 20 mm for 1 to 24 hours. Alternatively, the materials are mixed by blending together without any beads for a period of 1 to 24 hours.

혼합 후, 혼합물을 수집하고 임의의 액체 또는 수분을 제거하기 위해 오븐과 같은 열 환경에 적용하고 여과하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업자에게 공지된 임의의 수단에 의해 건조된다. 대안적으로, 혼합물은 당업자에게 공지된 통상적인 방법에 의해 분무 건조될 수 있다. After mixing, the mixture is collected and dried by any means known to those skilled in the art including, but not limited to, subjecting to a thermal environment such as an oven to remove any liquid or moisture and filtering. Alternatively, the mixture may be spray dried by conventional methods known to those skilled in the art.

다시 도 1을 참조하면, 제1 (1차) 소결 또는 예비소결 단계은 비-부식성 리튬 염, 니켈 전구체, 및 금속 산화물/수산화물 전구체의 혼합물을 고온에 노출하여 비-부식성 리튬 염을 분해하고 리튬화 금속 산화물을 고도의 Li+/Ni2 + 혼합 함량으로 분해함으로써 수행된다. 이 1차 소결 단계의 온도는 일반적으로 750℃ 이상; 대안적으로, ≥ 800℃; 또는 대안적으로, ≥ 850℃; 대안적으로, ≥ 750℃ 내지 ≤ 1000℃; 대안적으로, ≥ 800℃ 내지 ≤ 950℃; 대안적으로, ≥ 850℃ 내지 ≤ 900℃의 범위이다. 예비소결 단계를 위한 소결 환경은 공기일 수 있고, 1차 소결 단계를 위한 시간의 길이는 2시간 내지 24시간의 범위; 대안적으로, 약 5시간 내지 20시간; 대안적으로, 7시간 내지 15시간의 범위; 대안적으로, 약 10시간이다.Referring back to FIG. 1 , the first (primary) sintering or presintering step exposes a mixture of the non-corrosive lithium salt, the nickel precursor, and the metal oxide/hydroxide precursor to high temperature to decompose and lithiate the non-corrosive lithium salt. This is done by decomposing the metal oxide to a high Li + /Ni 2+ mixed content . The temperature of this first sintering step is generally 750° C. or higher; alternatively, >800°C; or alternatively, >850°C; Alternatively, ≥ 750 ° C to ≤ 1000 ° C; Alternatively, ≥ 800 ° C to ≤ 950 ° C; Alternatively, it ranges from ≥ 850 °C to ≤ 900 °C. The sintering environment for the pre-sintering step may be air, and the length of time for the first sintering step ranges from 2 hours to 24 hours; alternatively, from about 5 hours to about 20 hours; alternatively, in the range of 7 hours to 15 hours; Alternatively, about 10 hours.

여전히 도 1을 참조하면, 예비소결 또는 1차 소결 단계 후, 리튬화 금속 산화물은 이어서 비교적 낮은 온도의 O2 환경에서 제2(2차) 소결 또는 후처리 단계에서 추가 소결에 의해 처리되어 임의의 잔여 Ni2 +에서 Ni3 +로 산화하고, 니켈 풍부 리튬 금속 산화물에서 Ni3 + 분포를 재구성하여 Li+/Ni2 +의 혼합 함량을 감소시킨다. 이 2차 소결 단계를 위한 소결 온도는 일반적으로 ≤ 750℃; 대안적으로, ≤ 750℃ 내지 ≥ 700℃이다. 본 개시의 목적을 위해, O2 환경은 O2의 분압이 공기에서 발견되는 것보다 더 큰 환경을 지칭한다. 대안적으로, 산소 환경은 순수한 O2일 수 있다. 2차 소결 단계의 시간의 길이는 2시간 내지 24시간의 범위; 대안적으로, 약 5시간 내지 20시간; 대안적으로, 7시간 내지 15시간의 범위; 대안적으로, 약 10시간이다. 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 2차 소결 단계의 소결 시간은 1차 소결 단계의 소결 시간보다 길다. Still referring to FIG. 1 , after the presintering or primary sintering step, the lithiated metal oxide is then treated by further sintering in a second (secondary) sintering or post-treatment step in a relatively low temperature O 2 environment to obtain any The residual Ni 2+ is oxidized to Ni 3+ , and the Ni 3+ distribution is reconstituted in the nickel - rich lithium metal oxide to reduce the mixed content of Li + /Ni 2+ . The sintering temperature for this secondary sintering step is generally < 750 °C; Alternatively, ≤ 750 °C to ≥ 700 °C. For purposes of this disclosure, an O 2 environment refers to an environment in which the partial pressure of O 2 is greater than that found in air. Alternatively, the oxygen environment may be pure O 2 . The length of time of the secondary sintering step ranges from 2 hours to 24 hours; alternatively, from about 5 hours to about 20 hours; alternatively, in the range of 7 hours to 15 hours; Alternatively, about 10 hours. According to one aspect of the present disclosure, the sintering time of the second sintering step is longer than the sintering time of the first sintering step.

고 니켈 리튬화 금속 산화물은 30kV의 작동 전압과 15mA의 전류를 사용하여 Cu Kα 방사선이 장착된 벤치탑 Rigaku x-선 기계에서 수행되는 측정과 함께 x-선 회절을 사용하여 특성화된다. (003)/(104)의 x-선 회절(XRD) 피크 비율은 Li+/Ni2 +의 혼합 함량에 대한 지표로 사용된다. (003)/(104)의 피크 비율이 높을수록 Li+와 Ni2 + 사이의 양이온 혼합 함량이 낮음을 나타내며, 이는 더 나은 전기화학적 성능을 유추한다. (003) 피크는 층상화 암염 구조의 회절에서 발생하는 반면, (104) 피크는 층상화 암염 구조와 입방 암염 구조의 회절 모두로 인해 나타난다. Li+와 Ni2 + 이온이 완전히 혼합되면 (003) 반사 강도가 0이 되어야 한다.High nickel lithiated metal oxides are characterized using x-ray diffraction with measurements performed on a benchtop Rigaku x-ray machine equipped with Cu Kα radiation using an operating voltage of 30 kV and a current of 15 mA. The x-ray diffraction (XRD) peak ratio of (003)/(104 ) is used as an index for the mixed content of Li + /Ni 2+ . A higher peak ratio of (003)/(104) indicates a lower cation mixing content between Li + and Ni 2+ , which infers better electrochemical performance. The (003) peak arises from the diffraction of the stratified halite structure, whereas the (104) peak appears due to the diffraction of both the stratified halite structure and the cubic halite structure. When the Li + and Ni 2+ ions are completely mixed, the (003) reflection intensity should be zero.

고 니켈 리튬화 금속 산화물은 니켈 풍부 리튬화 금속 산화물에 존재하는 총 금속 함량에 대해 약 80 몰% 내지 90 몰% 미만의 범위에 있는 니켈(Ni) 함량을 가질 수 있다. 대안적으로, 니켈 함량은 80 몰% 내지 85 몰%이다. 코발트(Co) 및/또는 철(Fe) 함량은 니켈 풍부 리튬화 금속 산화물에 존재하는 총 금속 함량에 대해 1 몰% 내지 20 몰%이다. 대안적으로, 코발트 또는 철 함량은 5 내지 15 몰%이다. The high nickel lithiated metal oxide may have a nickel (Ni) content ranging from about 80 mole % to less than 90 mole % relative to the total metal content present in the nickel rich lithiated metal oxide. Alternatively, the nickel content is 80 mol % to 85 mol %. The cobalt (Co) and/or iron (Fe) content is from 1 mole % to 20 mole % relative to the total metal content present in the nickel rich lithiated metal oxide. Alternatively, the cobalt or iron content is between 5 and 15 mole percent.

본 개시내용에 제공된 특정 예는 본 발명의 다양한 구현예를 예시하기 위해 제공되며 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 구현예는 명확하고 간결한 명세서가 기재될 수 있게 하는 방식으로 기재되었지만, 구현예는 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 다양하게 조합 또는 분리될 수 있는 것으로 의도되고 인지될 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 모든 바람직한 특징은 본 명세서에 기재된 본 발명의 모든 양태에 적용가능하다는 것이 이해될 것이다.The specific examples provided in this disclosure are provided to illustrate various embodiments of the invention and should not be construed as limiting the scope of the disclosure. Although the embodiments have been described in a manner that allows for a clear and concise description, it is intended and will be appreciated that the embodiments may be variously combined or separated without departing from the invention. For example, it will be understood that all preferred features described herein are applicable to all aspects of the invention described herein.

실시예 1. LiNi0 . 8Co0 . 15Al0.05O2 (NCA80) 및 LiNi0 . 9Co0 . 05Al0 . 05O2 (NCA90)의 제조 및 테스트Example 1. LiNi 0 . 8 Co 0 . 15 Al 0 . 05 O 2 (NCA80) and LiNi 0 . 9 Co 0 . 05 Al 0 . Manufacturing and testing of 05 O 2 (NCA90)

Ni(NO3)2 *6H2O를 공기 환경에서 4시간 동안 600℃에서 분해하여 100 그램 초과의 산화니켈 (NiO)을 생성하였다. LiNi0 . 8Co0 . 15Al0.05O2 (NCA80)의 경우, 19.40 그램의 Li2CO3, 29.88 그램의 NiO, 6.02 그램의 Co3O4, 및 1.95 그램의 Al(OH)3를 4/6의 고체/물 질량비 및 1/3의 산화물/비드 질량비로 5시간 동안 볼 밀링하였다. LiNi0.9Co0.05Al0.05O2 (NCA90)를 만들기 위해 33.61g의 NiO를 Li2CO3, 2.01 그램의 Co3O4, 및 1.95 그램의 Al(OH)3와 함께 물에서 5시간 동안 볼 밀링하였다. 고체/물 질량비는 4/6이었다. 그 다음, 밀링된 슬러리를 분무 건조시켰다. 건조된 분말은 표 1에 기재된 바와 같이 다양한 조건 하에 소결되었다.Ni(NO 3 ) 2 * 6H 2 O was decomposed at 600° C. for 4 hours in an air environment to produce more than 100 grams of nickel oxide (NiO). LiNi 0 . 8 Co 0 . 15 Al 0 . 05 O 2 For (NCA80), 19.40 grams of Li 2 CO 3 , 29.88 grams of NiO, 6.02 grams of Co 3 O 4 , and 1.95 grams of Al(OH)3 were combined with a solid/water mass ratio of 4/6 and a solid/water mass ratio of 1/3. Ball milled for 5 hours at an oxide/bead mass ratio. To make LiNi 0.9 Co 0.05 Al 0.05 O 2 (NCA90), 33.61 g NiO was ball milled in water with Li 2 CO 3 , 2.01 g Co 3 O 4 , and 1.95 g Al(OH) 3 for 5 hours. did The solid/water mass ratio was 4/6. The milled slurry was then spray dried. The dried powder was sintered under various conditions as described in Table 1.

(003)/(104)의 x-선 회절(XRD) 피크 비율은 또한 표 1에 나타낸 바와 같이 생성된 고 니켈 리튬화 밀 산화물(meal oxide)에 대해 측정되었다. NCA80 및 NCA90에 대해 측정된 X선 회절(XRD) 패턴도 비교를 위해 도 2a 및 2b에 제공된다. NCA80 샘플은 모든 비-리튬 금속과 비교하여 80 몰% 니켈을 포함하는 반면, NCA90 샘플은 비-리튬 금속과 비교하여 90 몰% 니켈을 함유하였다.An x-ray diffraction (XRD) peak ratio of (003)/(104) was also measured for the resulting high nickel lithiated meal oxide as shown in Table 1. The measured X-ray diffraction (XRD) patterns for NCA80 and NCA90 are also provided in FIGS. 2A and 2B for comparison. The NCA80 sample contained 80 mol% nickel compared to all non-lithium metal, while the NCA90 sample contained 90 mol% nickel compared to non-lithium metal.

[표 1] NCA80 및 NCA90에 대한 소결 조건 및 피크 비율 (003)/(104).Table 1: Sintering conditions and peak ratio (003)/(104) for NCA80 and NCA90.

Figure pat00003
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표 1에 나타난 바와 같이, (003)/(104) 사이의 피크 비율은 공기 환경(850℃) 중에서 수행된 예비소결 단계에 이어 O2 환경(750℃) 중에서 2차 소결 단계를 거친 NCA80 샘플(80 몰% 니켈)에서 가장 높았다. 소결 단계가 공기(850℃) 중에서만 수행된 경우, NCA80 샘플은 750℃의 더 낮은 온도에서 소결된 O2 중에서 처리된 샘플보다 (003)/(104)의 낮은 피크 비율을 나타내었다(즉, 0.95 대 1.25 비교). 이 결과는 공기 중에서 소결될 때 발생하는 O2 분압의 감소로 인해 예상된다. O2 중에서만 소결한 경우, 850℃에서 처리한 샘플은 750℃에서 처리한 샘플보다 (003)/(104)의 낮은 피크 비율을 보여주었다. 이 결과는 또한 고 니켈 리튬화 금속 산화물의 열적 안정성이 좋지 않기 때문에 예상된다. 850℃에서 소결한 후 750℃에서 O2 중에서 처리한 샘플에 대해, (003)/(104) 피크 비율은 1.47였고, 이는 O2 중에서 750℃ 또는 850℃에서 소결된 샘플보다 높았다. 이 결과는 750℃에서의 O2 처리가 850℃ 공기 소결된 샘플로부터 Ni2 + 불순물을 산화시켰고, 더욱이 Li/Ni 혼합 수준이 O2 중에서 소결된 샘플보다 낮음을 확인한다. 따라서, 1차 예비소결 단계보다 낮은 온도에서 O2 중에서 후처리(2차) 소결 단계를 사용하면 Li+/Ni2 + 혼합이 감소하고 Ni3+ 이온이 재분배된다.As shown in Table 1, the peak ratio between (003)/(104) is NCA80 sample ( 80 mol% nickel). When the sintering step was performed only in air (850 °C), the NCA80 sample exhibited a lower peak ratio of (003)/(104) than the sample treated in O 2 sintered at a lower temperature of 750 °C (i.e., 0.95 vs 1.25). This result is expected due to the decrease in O 2 partial pressure that occurs when sintering in air. When sintered in O 2 only, the sample treated at 850 °C showed a lower peak ratio of (003)/(104) than the sample treated at 750 °C. This result is also expected because of the poor thermal stability of high nickel lithiated metal oxides. For samples sintered at 850 °C and then treated in O 2 at 750 °C, the (003)/(104) peak ratio was 1.47, which was higher than samples sintered at 750 °C or 850 °C in O 2 . This result confirms that the O 2 treatment at 750° C. oxidized the Ni 2+ impurities from the 850° C. air sintered sample, and furthermore, the Li/Ni mixing level was lower than that of the sample sintered in O 2 . Thus, using a post-treatment (secondary) sintering step in O 2 at a lower temperature than the first presintering step reduces Li + /Ni 2+ mixing and redistributes Ni3 + ions.

여전히 표 1을 참조하면, Ni 함량을 90 몰%로 증가시켰을 때 O2 중에서의 후처리 효과가 동일하게 관찰되지 않았다(NCA90 참조). 이 경우, O2 중에서 후처리를 사용하면 실제로 (003)/(104) 피크 비율이 공기 중에서 소결된 샘플에 대해 측정된 값보다 훨씬 낮은 값으로 감소하였다(0.82 대 0.99 비교). 이 결과는 이 니켈 농도에서 2-단계 소결 공정이 낮은 Li+/Ni2 + 혼합 수준을 유지하는 데 효과적이지 않음을 시사한다.Still referring to Table 1, the same effect of post-treatment in O 2 was not observed when the Ni content was increased to 90 mol% (see NCA90). In this case, the use of post-treatment in O 2 actually reduced the (003)/(104) peak ratio to values well below those measured for samples sintered in air (compare 0.82 vs. 0.99). This result suggests that at this nickel concentration, the two - step sintering process is not effective in maintaining low Li + /Ni 2+ mixing levels.

실시예 2 - LiNi0 . 8Co0 . 15Al0.05O2 (NCA80)의 추가 제조 및 테스트Example 2 - LiNi 0 . 8 Co 0 . 15 Al 0 . 05 O 2 Further fabrication and testing of (NCA80)

NCA80은 1차 소결 온도가 850℃대신 800℃인 것을 제외하고는 실시예 1에서 논의된 물질과 동일한 조건으로 제조되었다. 건조된 분말은 표 2에 기재된 다양한 조건 하에 최종적으로 소결되었다. (003)/(104)의 X-선 회절(XRD) 피크 비율은 또한 표 1에 나타낸 바와 같이 생성된 고 니켈 리튬화 밀 산화물(meal oxide)에 대해 측정되었다. NCA80 샘플은 80 몰% 니켈을 포함하였다.NCA80 was prepared under the same conditions as the materials discussed in Example 1, except that the first sintering temperature was 800°C instead of 850°C. The dried powder was finally sintered under various conditions listed in Table 2. X-ray diffraction (XRD) peak ratios of (003)/(104) were also measured for the resulting high nickel lithiated meal oxide as shown in Table 1. The NCA80 sample contained 80 mole % nickel.

표 2에 나타난 x-선 회절 (003)/(104) 피크 비율은 표 1에서 관찰된 것과 동일한 경향을 나타낸다. 공기 (800℃) 중에서 1차 소결 단계 및 O2 소결(750℃)의 2차 단계로 소결된 샘플은 단일 공기(800℃)로 소결한 샘플보다 훨씬 더 높은 (003)/(104) XRD 피크 비율을 나타냈다 (1.31 대 0.95 비교). 실제로, 이 실시예 2의 (003)/(104) 피크 비율은 표 1에 나타낸 바와 같이 순수한 O2 중에서 더 높은 온도(850℃)에서 소결된 두 개의 NCA80 샘플보다 훨씬 더 높았다.The x-ray diffraction (003)/(104) peak ratio shown in Table 2 shows the same trend as that observed in Table 1. Samples sintered with the first sintering step in air (800 °C) and the second step of O 2 sintering (750 °C) have significantly higher (003)/(104) XRD peaks than samples sintered with a single air (800 °C). ratio (compare 1.31 vs. 0.95). Indeed, the (003)/(104) peak ratio of this Example 2 is much higher than the two NCA80 samples sintered at higher temperature (850° C.) in pure O 2 as shown in Table 1.

상이한 조건 하에 소결된 NCA80에 대한 x-선 회절 (XRD) 패턴도 비교를 위해 도 3에 제공된다. 이 비교는 두 NCA80 샘플 사이에 존재하는 피크 강도 차이를 입증한다. 두 샘플 모두 Li2O/Li2CO3로부터의 불순물 상의 임의의 존재를 나타내지 않았다.The x-ray diffraction (XRD) patterns for NCA80 sintered under different conditions are also provided in FIG. 3 for comparison. This comparison demonstrates the difference in peak intensity that exists between the two NCA80 samples. Both samples did not show any presence of an impurity phase from Li 2 O/Li 2 CO 3 .

[표 2] NCA80에 대한 소결 조건 및 피크 비율 (003)/(104).Table 2: Sintering conditions and peak ratio (003)/(104) for NCA80.

Figure pat00004
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실시예 3 - Li1 . 05Ni0 . 9Co0 . 05Al0 . 02Mn0 . 025B0 . 005O2 (NCMA90)의 제조 및 테스트Example 3 - Li 1 . 05 Ni 0 . 9 Co 0 . 05 Al 0 . 02 Mn 0 . 025 B 0 . Manufacturing and testing of 005 O 2 (NCMA90)

산화니켈(NiO)(~325 메쉬, 99%)은 미국 Sigma Aldrich에서 구입하였다. NCMA90 샘플은 물에서 38.8 그램의 Li2CO3, 67.22 그램의 NiO, 4.01 그램의 Co3O4, 1.56 그램의 Al(OH)3, 및 0.309 그램의 H3BO3를 볼 밀링하여 제조되었다. 고체/물 질량비는 4/6이었다. 총 160 그램의 2 mm 세라믹 비드를 분산물에 첨가하고 분산물을 5시간 동안 밀링하였다. 목표 조성은 Li1 . 05Ni0 . 9Co0 . 05Al0 . 02Mn0 . 025B0 . 005O2이다. 소결 공정 동안 발생할 것으로 예상되는 리튬 손실을 보상하기 위해 약간 과량의 탄산리튬을 첨가하였다.Nickel oxide (NiO) (˜325 mesh, 99%) was purchased from Sigma Aldrich, USA. An NCMA90 sample was prepared by ball milling 38.8 grams Li 2 CO 3 , 67.22 grams NiO, 4.01 grams Co 3 O 4 , 1.56 grams Al(OH) 3 , and 0.309 grams H 3 BO 3 in water. The solid/water mass ratio was 4/6. A total of 160 grams of 2 mm ceramic beads were added to the dispersion and the dispersion was milled for 5 hours. The target composition is Li 1 . 05 Ni 0 . 9 Co 0 . 05 Al 0 . 02 Mn 0 . 025 B 0 . 005 O 2 . A slight excess of lithium carbonate was added to compensate for the lithium loss expected to occur during the sintering process.

밀링 후, 분산물을 벤치탑 분무 건조기로 분무 건조시켰다. 건조 후, 분말을 먼저 500℃에서 2시간 동안 공기 중에서 소결한 다음, 850℃에서 10시간 동안 소결하였다. 그 다음 공기 소결된 분말을 유리관으로 옮기고 순수한 O2가 흐르는 상태에서 750℃에서 10시간 동안 다시 소결하였다. 벤치탑 Rigaku X-선 기계를 사용하여 X-선 회절(XRD) 패턴을 측정하였다.After milling, the dispersion was spray dried in a benchtop spray dryer. After drying, the powder was first sintered in air at 500°C for 2 hours and then at 850°C for 10 hours. Then, the air-sintered powder was transferred to a glass tube and sintered again at 750° C. for 10 hours in a flowing state of pure O 2 . X-ray diffraction (XRD) patterns were measured using a benchtop Rigaku X-ray machine.

소결 조건 및 해당 (003)/(104) 피크 비율은 표 3에 보여진다. 순수한 O2 후처리 소결 단계에 노출된 NCMA90 샘플은 공기 중에서만 소결된 샘플과 비교하여 (003)/(104) 피크 비율의 증가를 나타내었다 (0.91 → 1.01 비교). 이 실시예는, 순수한 O2 후처리를 사용하면 Ni 함량의 90 몰%에서도 (003)/(104) 피크 비율을 증가시키지만, (003)/(104) 피크 비율 값은 Ni 함량이 더 낮은 샘플에서 관찰된 것과 동일한 수준에서 그렇지 않음을 실증한다 (표 1 및 2의 NCA80 참조).The sintering conditions and corresponding (003)/(104) peak ratios are shown in Table 3. NCMA90 samples exposed to the pure O 2 post-sintering step showed an increase in the (003)/(104) peak ratio compared to samples sintered in air only (0.91 → 1.01 comparison). This example shows that the use of pure O 2 posttreatment increases the (003)/(104) peak ratio even at 90 mol% of the Ni content, but the (003)/(104) peak ratio values are lower for samples with lower Ni content. This demonstrates that this is not the case at the same level as observed in (see NCA80 in Tables 1 and 2).

[표 3] NCMA90에 대한 소결 조건 및 피크 비율 (003)/(104).Table 3: Sintering conditions and peak ratio (003)/(104) for NCMA90.

Figure pat00005
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본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 전기화학 셀에 사용하기 위한 캐소드 활물질이 기재되어 있다. 상기 및 도 1에 기재된 공정에 따라 형성된 이 물질은 일반적으로 식 F-1에 의해 기재된 식을 포함한다. 전기화학 셀은 전극 중 하나의 적어도 일부에 사용되는 캐소드 활물질 또는 고 니켈 리튬화 금속 산화물을 갖는 리튬 이온 또는 리튬 배터리가 되도록 선택될 수 있다.According to another aspect of the present disclosure, a cathode active material for use in an electrochemical cell is disclosed. This material formed according to the process described above and in FIG. 1 generally includes the formula described by Formula F-1. The electrochemical cell may be selected to be a lithium ion or lithium battery having a high nickel lithiated metal oxide or active cathode material used for at least a portion of one of the electrodes.

본 명세서 내에서, 구현예는 명확하고 간결한 명세서가 기재될 수 있게 하는 방식으로 기재되었지만, 구현예는 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 다양하게 조합 또는 분리될 수 있는 것으로 의도되고 인지될 것이다.  예를 들어, 본 명세서에 기재된 모든 바람직한 특징은 본 명세서에 기재된 본 발명의 모든 양태에 적용가능하다는 것이 이해될 것이다.Within this specification, embodiments have been described in such a way as to enable a clear and concise description, but it is intended and to be appreciated that embodiments may be variously combined or separated without departing from the invention. For example, it will be understood that all preferred features described herein are applicable to all aspects of the invention described herein.

당업자는 본 개시내용에 비추어, 본 명세서에 개시된 특정 구현예에서 많은 변경이 이루어질 수 있고 본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나거나 초과하지 않고 비슷하거나 유사한 결과를 여전히 얻을 수 있음을 이해할 것이다. 당업자는 본 명세서에 보고된 임의의 특성이 일상적으로 측정되고 다수의 상이한 방법에 의해 수득될 수 있는 특성을 나타낸다는 것을 추가로 이해할 것이다. 본 명세서에 기재된 방법은 이러한 방법 중 하나를 나타내며 다른 방법은 본 개시내용의 범위를 초과하지 않고 활용될 수 있다.Those skilled in the art will, in light of this disclosure, appreciate that many changes can be made in the specific embodiments disclosed herein and still obtain a like or similar result without departing from or exceeding the spirit or scope of the disclosure. One skilled in the art will further understand that any properties reported herein represent properties that are routinely measured and can be obtained by a number of different methods. The methods described herein represent one of these methods, and other methods may be utilized without exceeding the scope of the present disclosure.

본 발명의 다양한 형태에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이것은 개시된 정확한 형태로 본 발명을 완전하게 제한하거나 제한하려는 의도가 아니다. 상기 교시에 비추어 수많은 수정 또는 변형이 가능하다. 논의된 형태는 본 발명의 원리 및 그의 실제 적용의 최선의 예시를 제공하기 위해 선택되고 기재되었으며, 이에 의해 관련 당업자가 본 발명을 다양한 형태로 및 고려되는 특정한 용도에 적합한 다양한 변형으로 이용할 수 있게 하였다. 그러한 모든 수정 및 변형은 공정하고 합법적이며 공평하게 자격이 부여되는 범위에 따라 해석될 때 첨부된 청구범위에 의해 결정되는 본 발명의 범위 내에 있다.The foregoing description of the various forms of the present invention has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to completely limit or limit the invention to the precise form disclosed. Numerous modifications or variations are possible in light of the above teachings. The forms discussed have been chosen and described to provide the best illustration of the principles of the invention and its practical application, thereby enabling those skilled in the art to utilize the invention in a variety of forms and with various modifications suited to the particular use contemplated. . All such modifications and variations are within the scope of the invention as determined by the appended claims when construed in accordance with the scope to which they are fairly, legally and equitably entitled.

Claims (20)

고 니켈 리튬화 금속 산화물의 제조 공정으로서, 하기를 포함하는 공정:
a. 하나 이상의 니켈 전구체를 선택하는 단계;
b. 적어도 하나의 비-부식성 리튬 염을 제공하는 단계;
c. 복수의 금속 산화물 또는 수산화물 전구체를 전달하는 단계;
d. 하나 이상의 니켈 전구체, 하나 이상의 비-부식성 리튬 염, 및 복수의 금속 산화물/수산화물 전구체를 함께 혼합하여 하기를 포함하는 혼합물을 형성하는 단계:
Figure pat00006

여기서 x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, 및 0 ≤ ≤ 0.05, M은 Co 또는 Fe이고; 그리고 N은 Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, 또는 이들의 혼합물이고, 단, M이 Co일 때 N은 Fe일 수 있음;
e. 1차 소결 단계에서 혼합물을 공기 환경에서 750℃ 이상의 온도에서 소결하여 분말을 형성하는 단계; 및
f. 2차 소결 단계에서 분말을 750℃ 이하의 온도에서 O2 환경에서 소결하여 고 니켈 리튬화 금속 산화물을 형성하는 단계.
A process for producing a high nickel lithiated metal oxide comprising:
a. selecting one or more nickel precursors;
b. providing at least one non-corrosive lithium salt;
c. delivering a plurality of metal oxide or hydroxide precursors;
d. mixing together one or more nickel precursors, one or more non-corrosive lithium salts, and a plurality of metal oxide/hydroxide precursors to form a mixture comprising:
Figure pat00006

where x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, and 0 ≤ ≤ 0.05, M is Co or Fe; and N is Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, or mixtures thereof, provided that when M is Co, N may be Fe;
e. Forming a powder by sintering the mixture at a temperature of 750 ° C. or higher in an air environment in the first sintering step; and
f. In the secondary sintering step, the powder is sintered in an O 2 environment at a temperature of 750° C. or less to form a high nickel lithiated metal oxide.
제1항에 있어서, 식 (F-1) 내의 M은 코발트인, 공정.The process of claim 1 , wherein M in formula (F-1) is cobalt. 제1항 또는 제2항에 있어서, 식 (F-1) 내의 y는 0.80 ≤ y ≤ 0.87인, 공정.3. The process according to claim 1 or 2, wherein y in formula (F-1) is 0.80 < y < 0.87. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 식 (F-1) 내의 y는 0.80 ≤ y ≤ 0.85인, 공정.4. The process according to any one of claims 1 to 3, wherein y in formula (F-1) is 0.80 < y < 0.85. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 식 (F-1) 내의 N은 Al인, 공정.5. The process according to any one of claims 1 to 4, wherein N in formula (F-1) is Al. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 식 (F-1) 내의 N은 Mn인, 공정.5. The process according to any one of claims 1 to 4, wherein N in formula (F-1) is Mn. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 식 (F-1) 내의 N은 Al 및 Mn이고 Al/Mn의 몰비는 0.99/0.01 내지 0.01/0.99인, 공정.The process according to any one of claims 1 to 4, wherein N in formula (F-1) is Al and Mn and the molar ratio of Al/Mn is from 0.99/0.01 to 0.01/0.99. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 식 (F-1) 내의 N은 Al, Mn, 및 Fe 또는 Mo 중 하나이고, Al/Mn/(Fe-Mo)의 몰비는 0.99/0.05/0.05 내지 0.05/0.99/0.05 내지 0.05/0.05/0.99의 범위인, 공정. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein N in formula (F-1) is Al, Mn, and one of Fe or Mo, and the molar ratio of Al/Mn/(Fe-Mo) is 0.99/0.05 /0.05 to 0.05/0.99/0.05 to 0.05/0.05/0.99. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 소결 단계의 O2 환경은 순수한 산소인, 공정.9. The process according to any one of claims 1 to 8, wherein the O 2 environment of the second sintering step is pure oxygen. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 소결 단계는 그 온도가 ≥ 750℃ 및 ≤ 1000℃인, 공정.10. The process according to any one of claims 1 to 9, wherein the first sintering step has a temperature of ≥ 750 °C and ≤ 1000 °C. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 소결 단계에서의 온도는 ≥ 800℃ 및 ≤ 950℃인, 공정.11. The process according to any one of claims 1 to 10, wherein the temperature in the first sintering step is ≥ 800 °C and ≤ 950 °C. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 소결 단계에서의 온도는 ≥ 850℃ 및 ≤ 900℃인, 공정.12. The process according to any one of claims 1 to 11, wherein the temperature in the first sintering step is > 850 °C and < 900 °C. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 1차 소결 단계는 2시간 내지 24시간 범위인 소결 시간으로 수행되는, 공정.13. The process according to any one of claims 1 to 12, wherein the first sintering step is performed with a sintering time ranging from 2 hours to 24 hours. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 2차 소결 단계에서의 온도는 ≤ 750℃ 및 ≥ 700℃인, 공정.14. The process according to any one of claims 1 to 13, wherein the temperature in the second sintering step is ≤ 750 °C and ≥ 700 °C. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 2차 소결 단계는 2시간 내지 24시간 범위인 소결 시간으로 수행되는, 공정.15. The process according to any one of claims 1 to 14, wherein the secondary sintering step is performed with a sintering time ranging from 2 hours to 24 hours. 제14항에 있어서, 제2 소결 단계의 소결 시간은 제1 소결 단계의 소결 시간보다 긴 것인, 공정. 15. The process according to claim 14, wherein the sintering time of the second sintering step is longer than the sintering time of the first sintering step. 배터리에 사용하기 위한 캐소드 활물질로서, (F-1)에 따른 식을 갖는 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 방법에 따라 형성된 물질을 포함하는, 캐소드 활물질:
Figure pat00007

여기서 x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, 및 0 ≤ ≤ 0.05, M은 Co 또는 Fe이고; 그리고 N은 Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, 또는 이들의 혼합물이고, 단, M이 Co일 때 N은 Fe일 수 있다.
A cathode active material for use in a battery comprising a material formed according to the method of any one of claims 1 to 16 having a formula according to (F-1):
Figure pat00007

where x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, and 0 ≤ ≤ 0.05, M is Co or Fe; And N is Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, or a mixture thereof, provided that when M is Co, N may be Fe.
제17항에 있어서, 상기 2차 소결 단계의 소결 온도는 1차 소결 단계의 소결 온도 이하이고;
제2 소결 단계의 O2 환경은 순수한 산소인, 캐소드 활물질.
The method of claim 17, wherein the sintering temperature of the second sintering step is equal to or lower than the sintering temperature of the first sintering step;
and the O 2 environment of the second sintering step is pure oxygen.
전극 중 하나로서 캐소드 활물질을 포함하는 리튬 이온 또는 리튬 배터리로서, 캐소드 활물질은 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 공정에 따라 형성되고, 고 니켈 리튬화 금속 산화물은 (F-1)에 따른 식을 갖는 리튬 이온 또는 리튬 배터리:
Figure pat00008

여기서 x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, 및 0 ≤ ≤ 0.05, M은 Co 또는 Fe이고; 그리고 N은 Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, 또는 이들의 혼합물이고, 단, M이 Co일 때 N은 Fe일 수 있다.
A lithium ion or lithium battery comprising a cathode active material as one of the electrodes, wherein the cathode active material is formed according to the process of any one of claims 1 to 16, and the high nickel lithiated metal oxide according to (F-1) A lithium ion or lithium battery having the formula:
Figure pat00008

where x = 1.0 - 1.1, 0.80 ≤ y ≤ 0.90, 0.03 < z ≤ 0.15, and 0 ≤ ≤ 0.05, M is Co or Fe; And N is Al, Mn, Fe, Ca, Mg, Ti, Cr, Nb, Mo, W, B, or a mixture thereof, provided that when M is Co, N may be Fe.
제19항에 있어서, 상기 2차 소결 단계의 소결 온도는 1차 소결 단계의 소결 온도 이하이고;
제2 소결 단계의 O2 환경은 순수한 산소인, 리튬 이온 또는 리튬 배터리.
The method according to claim 19, wherein the sintering temperature of the second sintering step is equal to or lower than the sintering temperature of the first sintering step;
A lithium ion or lithium battery in which the O 2 environment of the second sintering step is pure oxygen.
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